發布時間：2018-10-26所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：降雨侵蝕力反應降雨引起的土壤侵蝕潛在能力，是水土保持研究中的主要指標之一。以露天煤礦排土場不同覆蓋類型邊坡為研究對象，分析了日降雨侵蝕力與邊坡侵蝕的關系。結果表明，從控制坡面徑流深來看，降雨侵蝕力的作用受到了喬灌草和灌草配置的顯著影
摘要：降雨侵蝕力反應降雨引起的土壤侵蝕潛在能力，是水土保持研究中的主要指標之一。以露天煤礦排土場不同覆蓋類型邊坡為研究對象，分析了日降雨侵蝕力與邊坡侵蝕的關系。結果表明，從控制坡面徑流深來看，降雨侵蝕力的作用受到了喬灌草和灌草配置的顯著影響，其產生的坡面徑流僅為對照區的42.9%和52.6%。從控制坡面侵蝕量來看，三種植物配置措施都具有顯著減少功能，土壤侵蝕量僅為對照區的2.3%~6.7%。降雨侵蝕力與邊坡水土流失量存在線性正相關，其中坡面徑流深對降雨侵蝕力的響應快于土壤侵蝕量。
關鍵詞：降雨侵蝕,徑流深,侵蝕量,露天礦排土場,半干旱地區
1引言
降雨侵蝕力反映了由降雨引起的土壤侵蝕潛在能力,是構建水土流失預測模型的最基本因子之一[1]。其特點是通過定義減少了雨量小、頻次高的小降水事件干擾，便于在水土流失地區進行預判分析[1,2]。從相關的研究特點來看，以降水侵蝕力時空分布、影響因素及對植被分布的影響等較多。
如，殷水清等[3]通過對降雨侵蝕力空間插值分析，指出黃土高原降雨侵蝕力由東南向西北遞減趨勢;信忠保等[4]研究了近50a黃土高原侵蝕性降水的時空變化特征，得出引起變化的主要原因在于夏季風變化的影響;李靜等[5]從地貌類型的角度研究了降水侵蝕力空間分布，解釋了地形再分配的影響機制。黑岱溝露天煤礦位于黃土高原核心區域，采煤過程中剝離堆積的排土場成為影響礦區及周邊地區環境的主要源區之一[6-8]。
由于排土場堆積過程有嚴格設計，標準的平臺和邊坡坡度控制以及植物治理措施，使其成為區域水土流失研究的量化驗證對象[7,9]。從引起的水土流失問題來看,研究主要集中在二個方面：一是針對排土堆的侵蝕與產沙規律、平臺與邊坡土壤侵蝕特征等開展的研究[9,10];二是針對排土場堆積平臺和邊坡的工程堆積體物理力學性質和邊坡穩定性等方面進行研究[11,12]。
在這些研究中，排土場平臺或邊坡的性質被予以了高度關注并有較多的研究結果，但是有關降雨侵蝕力對排土場邊坡水土流失影響的研究相對較少，有些研究涉及到了植被與降雨侵蝕力的關系，但也對植物配置對降雨侵蝕力響應涉及較少[9]。因此本文在已有研究的基礎上，選取不同植被配置類型的排土場邊坡為研究對象，分析降雨侵蝕力對其的影響，擬驗證的關鍵問題是降雨侵蝕力變化和不同植物配置與邊坡水土侵蝕的量化關系，為干旱、半干旱地區大型露天礦區排土場基于水土流失控制的人工植被恢復最佳模式選擇提供依據。
2研究區概況與研究方法
2.1研究區概況
研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部的黑岱溝露天煤礦。地理坐標為111°10’~111°25′E，39°25′~39°59′N，面積55km2(見圖1)。氣候屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫為5.3~7.6℃;多年平均降水量408mm，其中60%~70%集中在每年的7~9月;年蒸發量為1824.7~2896.1mm。研究區內非地帶性土壤(黃綿土)分布廣泛，其中粉粒占64%~73%，粘粒占17%~20%。
優勢植物以油松(Pinustabuliformis)、檸條(Caraganaintermedia)、山杏(Armeniacasibirica)和無芒雀麥(Bromusinermis)等人工引進種為主，裸露邊坡以鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)和白藜(Chenopodiumalbum)等當地植物為主。黑岱溝露天煤礦于1992年建成投產。在開采過程中礦區共設有北排土場、東排土場、東沿幫排土場、陰灣排土場、西排土場和內排土場6處(見圖1)。
排土場標高分布在1200~1320m之間。在排土場治理過程中主要以防治水土流失為目標，采用喬、灌、草多種組合。采用的植物種有油松、山杏、檸條、無芒雀麥、沙打旺(Astragalusadsurgens)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。本文實驗布置在北排土場，該小區從1995年開始治理，到2003年完成，累計完成治理面積147.96hm2。未治理對照區設在陰灣排土場。
2.2研究方法
2.2.1徑流小區設置與觀測
徑流小區設置在北排土場的西坡面(1993年開始植被恢復)，徑流對照區設置在陰灣排土場(見圖1)。在每種植被類型和對照區上設長20m、寬5m徑流小區3個，共12個。每個小區用PVC板材做隔離材料，在坡面下方平臺修匯水池并配有塑料遮布。為了與氣象站日降水數據對應，在徑流小區入池口設分流調節閥，如降水過程超過晚24點，則關閉入池閥，打開側閥將徑流小區水量排到池外，同時用塑料遮布蓋住匯水池。在匯水池最低處設排水口，一次降水過程測定后，將水、泥沙排干。實驗是在2014年和2015年的5~10月份進行觀測(排除降雪干擾)，期間如果發生連日降水事件，則只選擇最完整一天的測定數據參與分析。
2.2.2邊坡特征與植被配置
排土場堆積有嚴格的標準，每一堆積層高15m，邊緣留15m水平平臺，坡面坡度控制在35°(±1°)。排土場經過2~3年的重力沉積后開始植物治理，由于采用嚴格的工程施工管理，不同坡向在植被建設和工程施工中沒有區別。在本文選定的北排土場植物治理22年形成了穩定邊坡面植被層。對照區設立在陰灣排土場，經過了2年的重力沉積。植物治理坡面包括了喬木(油松)+灌木(山杏)+草本(無芒雀麥)模式、灌木(山杏)+草本(無芒雀麥)模式和單一草本(無芒雀麥)模式。其中，喬木和灌木的造林密度為3m×3m，行間種草壟距為0.4m，共6壟;單一草本壟距都為0.4m。
經過22年治理3種植物配置坡面植被蓋度都達到了75%以上，加之地表枯落物積累幾乎沒有裸露地面。對照區坡面為重力沉積后的裸坡有少量的鐵桿蒿、白藜生長，植被蓋度<1%。
2.2.3降雨侵蝕力
在降水導致的土壤侵蝕研究中，地形、土壤、植被、降水等是研究中考慮的關鍵因子。在本文實驗中，研究區集中在很小范圍內且經過標準化排土堆砌，地形、土壤類型基本一致，所不同的是植被和降雨量的差異。因此，選取不同人工植被類型和日降雨侵蝕力指標進行分析。
3研究結果
3.1降水量與侵蝕性降水量日變化
在觀測期內，2014年發生降水為64d，2015年為60d(見表1)。從發生侵蝕性雨量(>12mm)天數來看(見表1)，2014年和2015年分別為10d和8d，累積侵蝕性雨量分別為211.5mm和147.7mm。其中，在2014年6月24~25日、8月12~13日、9月22~23日和2015年的6月28~29日、9月29~30日發生了連續降水事件，因此在上述時段只選擇最完整一天的測定數據參與分析。在二年的監測中共獲得有效天數為38d(見表1)，侵蝕性降雨量的有效觀測共16d(次)。
此外，對大于12mm降雨量與對應的降雨侵蝕力ANOVA分析表明，二者之間沒有差異(Sig.<0.001)，且關聯系數為0.993。說明采用降雨侵蝕力替代降水量具有極高可靠性。
3.2降雨侵蝕力與邊坡土壤侵蝕的關系
從降雨侵蝕力與邊坡徑流的關系來看，植物坡面治理對侵蝕性降雨所引發的徑流具有明顯的減少功能。從效果來看，喬灌草配置效果最好，灌草次之，單一草本相對最低，分別是對照邊坡的49.58%、56.56%和65.92%。ANOVA分析表明，除對照邊坡與草本覆蓋邊坡徑流深之間沒有顯著性差異(P=0.002)外，與其它2種類型都有顯著性差異;三種植物措施治理的邊坡之間沒有顯著性差異，它們的P值最小也為0.032。
4討論
土壤侵蝕與降雨侵蝕力關系是水土保持研究中的核心問題之一[3,4]。露天煤礦排土場邊坡土壤侵蝕不僅與土壤水土流失所涉及的因子有關[7,10]，而且與排土場堆積平臺和邊坡的工程堆積體物理力學性質也密切相關[8,12]。特別是人工植物配置減緩降雨侵蝕力作用，不僅對露天煤礦排土場環境治理具有重要意義，而且對于水土保持工程和流域治理所產生的生態效益分析和區域水土流失機理研究研究提供了極好的場所[13,14]。
從降水雨量和降雨侵蝕力的發生天數分布特點來看，在黑岱溝露天煤礦年降雨天數在60~64d(見表1)，其中達到侵蝕性降雨量(>12mm)天數在8~10d，占降雨量發生天數的13.3%~15.6%。雖然2年中侵蝕性降雨量發生次數所占比例較低，但是從降雨量來看具有較高的比例，大于12mm的降雨量分別為211.5mm和147.7mm，分別占年降水量的48.0%和50.75%。此外，從產生土壤徑流和侵蝕的降雨量天數(>5mm)來看以10~25mm為主，發生概率在43.0%~43.5%;其次為5~10mm，在33.3%~39.2%;而大于25mm降雨量每年只發生了1次(見表1)。
5結論
在半干旱草原區露天礦排土場，降雨侵蝕力導致的水土流失過程受到不同植被配置方式的顯著影響。
(1)從控制坡面徑流深來看，降雨侵蝕力的作用受到了喬灌草和灌草配置的顯著影響，其產生的坡面徑流僅為對照坡面的42.9%和52.6%。
(2)從控制坡面侵蝕量來看，三種植物配置措施都能顯著減少降雨侵蝕力產生的水土流失現象，土壤侵蝕量僅為對照的2.3%~6.7%。
(3)在4種坡面類型中，降雨侵蝕力與坡面徑流深擬合直線的斜率大于其與土壤侵蝕量的斜率，說明坡面徑流深對降雨侵蝕力的響應快于土壤侵蝕量。
參考文獻：
[1]WischmeierWH,SmithDD.PredictingRailfallErosionLosses:AGuidetoConservationPlanning[M].AgricultureHandbook,1978:537.
[2]謝云,章文波,劉寶元.用日雨量和雨強計算降雨侵蝕力[J].水土保持通報,2001,21(6):53-56.(XIEYun,ZHANGWenbo,LIUBaoyuan.Rainfallerosivityestimationusingdailyrainfallamountandintensity[J].BulletinofSoilandWaterConservation,2001,21(6):53-56.(inChinese))
[3]殷水清,謝云.黃土高原降雨侵蝕力時空分布[J].水土保持通報,2005,25(4):29-33.(YINShuiqing,XIEYun.SpatialvariationsandseasonaldistributionsofrainfallerosivityonLoessplateau[J].BulletinofSoilandWaterConservation,2005,25(4):29-33.(inChinese))
[4]信忠保,許炯心,馬元旭.近50a黃土高原侵蝕性降水的時空變化特征[J].地理科學,2009,29(1):98-104.(XINZhongbao,XUJiongxin,MAYuanxu.Spatio-temporalvariationoferosiveprecipitationinLoessplateauduringpast50years[J].ScientiaGeographicaSinica,2009,29(1):98-104.(inChinese))
SCISSCIAHCI
